物理化学实验报告-表面吸附

物理化学实验报告

溶液表面吸附的测量

1.实验目的

（1）掌握最大气泡压力法测定溶液表面张力的方法。

（2）根据Gibbs 吸附方程式，计算溶质（乙醇）在单位溶液表面的吸附量Γ，并作Γ−c 图。 2.实验原理

在定温下，纯物质液体的表面层与本体（内部）组成相同，根据能量最低原理，为降低体系的表面吉布斯自由能，将尽可能地收缩液体表面。对溶液则不同，加入溶质后，溶剂表面张力发生变化。

根据能量最低原理，若溶质降低溶剂表面张力，c （表面层）> c （本体）；反之，若溶质升高表面张力，c （表面层）

溶液表面吸附溶质的量Γ与表面张力σ、浓度c 有关，其关系符合Gibbs 吸附方程

T c

RT c )(∂∂-

=Γσ

式中：Γ吸附量；c 溶液浓度；T 温度；R 气体常数；σ表面张力或表面吉布斯自由能。

T c

)(

∂∂σ表示在一定温度下，表面张力随浓度的变化率。如果溶液表面张力随浓度增加而减小，即(∂σ

∂c )<0，Γ>0，此时溶液中溶质在表面层中的浓度大于在溶液中的浓度，称为正吸附。相反，Γ<0，称为负吸附。

在一定温度下，测定不同浓度溶液的表面张力σ，以σ对c 作图，求不同浓度时的T c

)(∂∂σ

值。由Gibbs 吸附方程求各浓度下的吸附量Γ。 对于求各点斜率值可以借助计算机软件。

测定液体表面张力的方法较多，如最大气泡压力法，滴体积法，毛细管升高法，环法等，本实验采用最大气泡压力法。

将待测液体装入表面张力仪中，使玻璃毛细管下端与液面相切，若液体能润湿管壁，则液体沿毛细管上升形成凹液面，其液面所受压力P ’为大气压力P 0和附加压力ΔP 。根据拉普拉斯（Laplace ）方程：

∆P =

2σr

式中：r 为弯曲液面曲率半径；σ为液体与气体表面（界面）张力。因是凹液面，弯曲液面的曲率半径r <0，ΔP <0（指向大气）。

当打开漏斗的活塞，让水缓慢滴入下面密封的加压瓶中，毛细管内液面上受到比毛细管外液面上更大的压力，毛细管内液面开始下降。当此压力差在毛细管上面产生的作用稍大于毛细管口液体的表面张力所能产生的最大作用时，气泡就从毛细管口逸出。气泡逸出前能承受的最大压力差为ΔPmax ，可以由微压差计测出。根据拉普拉斯方程，毛细管内凹液面的曲率半径等于毛细管的半径r 时，能承受的压力差最大。则有

r

P σ

2max =

∆

max 2

P r

∆=

σ

测定毛细管的半径r 和ΔPmax 即可求得液体表面张力σ。直接测定毛细管半径r 容易带入较大的误差，可用同一支毛细管，在相同条件下分别测出已知表面张力为σ1的参考液体的ΔPmax,1和待测液体的ΔPmax ，由③式得

1

max,1max 22P P r ∆=

∆=

σσ

max 1

max,1

P P ∆∆=

σσ

由上式可求出其它液体的表面张力σ。

3.仪器与试剂

微差压测量仪

恒温槽

表面张力仪

滴管

烧杯

容量瓶

无水乙醇

4.实验步骤

（1）配制溶液：根据实验所要求的不同浓度的溶液称取不同质量的无水乙醇。

（2）按照实验要求连接仪器。设定恒温槽温度为30摄氏度，通入恒温水。

（3）在表面张力仪中加入适量去离子水，恒温10分钟以上。通过表面张力仪下端的活塞调节液面高度，使毛细管下端与液面相切。

（4）将毛细管与乳胶管连接断开，将毛细管内外用吹气法处理干净，将毛细管连入整个装置，盖紧活塞。按下微差压计的置零键，再将乳胶管与毛细管连接好。

（5）缓慢打开漏斗活塞，是水滴慢慢滴下，毛细管此时上方的压力不断增大，之后毛细管口开始出现气泡，待气泡形成稳定后，在微差压测量计读取压力的最大值，读数三次，取平均值。

（6）使用上述方法，将去离子水换成不同浓度的溶液。在更换溶液时必须洗刷表面张力仪3次，并且将毛细管内外吹干净。每次更换的溶液都必须保证恒温10分钟以上。

（7）实验完毕，整理仪器。

5.实验数据

水在30℃下表面张力为71.18（ mN*m−1）

0123

456

30

354045505560657075c/mol*l

上图为σ−c 曲线图

1

2

3

4

5

6

0.0040

0.0045

0.0050

0.0055

0.0060

Y A x i s T i t l e

X Axis Title

此图为Γ-c 曲线图

6.数据分析

本次试验的误差来源有如下几项

（1）无水乙醇是一种极易挥发的物质，尽管在称量时我们可以先加入一些水以防止乙醇挥发，但是挥发还是在所难免的，所以可能会对溶液浓度造成一定影响。

（2）毛细管与液面相切也会引起误差，因为肉眼并不能准确判断是否相切，而毛细管如果插入稍深，则会影响读数。

（3）在洗涤仪器时所引起的误差，包括洗涤表面张力仪，还有处理毛细管时都可能有少量的之前测量溶液的残留。

7.思考题

（1）实验前为什么一定要确保表面张力仪和毛细管的洁净？

主要是为了保证再加入溶液后不会出现杂质，不会影响溶液本身的浓度，而且毛细管的洁净也是为了使气泡更均匀。

（2）为什么不直接测毛细管的半径，而用标定的方法？

毛细管的半径非常小，直接测量必然会带来很大的误差，而通过其他测量值来算毛细管的半径则可以很好的避免这种误差。